專利名稱：一種智能電力調(diào)功器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種網(wǎng)絡(luò)型電力控制設(shè)備，尤其是一種用于機(jī)械、化工、熱處理等行業(yè)電加熱設(shè)備溫度控制的智能電力調(diào)功器。
背景技術(shù)：
在使用電力作為加熱設(shè)備能源進(jìn)行溫度控制的各種設(shè)備中，最常用的是利用晶閘 管作為電力控制器件的調(diào)功器或調(diào)功裝置。電力調(diào)功器與控制器之間大部分是一對(duì)一的控 制方式，不能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)下的集群控制，需要的控制器多且造價(jià)高，不易實(shí)現(xiàn)集中信息 的管理。目前采用PLC控制多臺(tái)電力調(diào)功器的方式，雖然解決了集群控制問(wèn)題，但由于普通 PLC自身計(jì)算功能有限，控制精度低，集中數(shù)據(jù)管理仍很困難。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展， 基于工控機(jī)的網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用于電力加熱的溫控系統(tǒng)中，但目前具備網(wǎng)絡(luò)通 訊功能的電力調(diào)功器還較少。針對(duì)上述情況，中國(guó)專利號(hào)01256969. 0公開(kāi)了名稱為“一種應(yīng)用于加熱設(shè)備的溫 度控制系統(tǒng)的晶閘管調(diào)功器”的電力調(diào)功器，以微處理器為中心控制部件，外部連接輸入設(shè) 備和輸出設(shè)備，輸入設(shè)備包括信號(hào)采集電路，報(bào)警采集電路，信號(hào)分析電路，輸出設(shè)備包括 晶閘管觸發(fā)電路、各種報(bào)警信號(hào)觸發(fā)電路，其特征在于微處理器還聯(lián)結(jié)有由串行通訊模塊、 光電耦合器、非門、電阻構(gòu)成的在微處理器控制下實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的通訊端口。該 通訊方式雖然線路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但是卻存在速度低、通訊距離短、可以掛接的設(shè)備少等 不足。另外，在一些用電加熱的系統(tǒng)中，加熱元件(電爐絲、硅碳棒、硅鉬棒等)本身和爐 壁之間的絕緣材料，會(huì)隨著爐溫的急劇變化而影響其使用壽命和降低絕緣強(qiáng)度，或者因加 熱元件的斷裂或膨脹、反應(yīng)釜金屬層的氧化脫落等，經(jīng)常造成短路，極易損壞電力控制元件 (比如晶閘管、IGBT元件等)，給具有這種工況環(huán)境的控制帶來(lái)巨大的困難，直接影響著系統(tǒng) 運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有電力調(diào)功器的各種不足，提供一種基于Internet 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的智能電力調(diào)功器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的智能電力調(diào)功器的技術(shù)方案如下一種智能 電力調(diào)功器，包括微處理器及與其相連的輸入和輸出設(shè)備，所述輸入設(shè)備包括輸入端口上 連接的用于與智能儀表相連的模擬輸入接口電路，用于與上位機(jī)雙向連通的通訊接口模 塊，還包括相位同步檢測(cè)電路；輸出設(shè)備包括晶間管模塊及其驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)功器內(nèi)還設(shè)有 控制方式選擇撥碼開(kāi)關(guān)，所述通訊接口模塊包括以太網(wǎng)控制器和物理層接口及光纖通訊接 口，所述微處理器還連接有負(fù)載電流檢測(cè)和過(guò)載及短路保護(hù)模塊。所述通訊接口模塊的通訊方式為基于TCP/IP協(xié)議的Internet網(wǎng)絡(luò)，通訊端口為 標(biāo)準(zhǔn)的RJ45并行通訊接口。[0008]所述輸出設(shè)備還包括狀態(tài)指示模塊。所述晶閘管的一控制輸出端還通過(guò)散熱器溫度檢測(cè)模塊與微處理器連接。所述模擬輸入接口電路由濾波 與I/V轉(zhuǎn)換、電平遷移及A/D轉(zhuǎn)換電路順次連接構(gòu) 成。本實(shí)用新型的智能通訊電力調(diào)功器結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)成本低、控制精度高，可以與上 位機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成集群控制系統(tǒng)，也可以與智能儀表結(jié)合組成一對(duì)一的控制單元；采用并行光 纖通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信，在Internet環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，通訊距離遠(yuǎn)，可靠 性高，可以掛接的設(shè)備數(shù)量不受限制。另外，狀態(tài)指示電路的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)操作更為直觀方便；散熱器溫度檢測(cè)電路、電流 過(guò)載與短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的工作更為安全穩(wěn)定，避免了電力控制元件的損壞，特 別適合于容易發(fā)生過(guò)載和短路現(xiàn)象或工作環(huán)境惡劣的溫度控制場(chǎng)合。

圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2是晶閘管模塊示意圖；圖3是散熱器溫度檢測(cè)模塊工作原理圖；圖4是負(fù)載電流檢測(cè)、過(guò)載及短路保護(hù)模塊工作原理圖；圖5是晶閘管驅(qū)動(dòng)模塊工作原理圖；圖6是三相交流電源相位同步檢測(cè)電路原理圖；圖7是模擬輸入接口電路原理圖；圖8是以太網(wǎng)控制器工作原理框圖；圖9是通訊接口模塊原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步介紹如圖1所示為本實(shí)用新型智能電力調(diào)功器的總體結(jié)構(gòu)示意圖，以微處理器模塊為 核心，第一路輸入為與智能儀表相連的模擬輸入接口電路。第二路輸入為相位同步檢測(cè)電 路，所獲得的三相交流電源過(guò)零脈沖信號(hào)輸入至微處理器，作為控制輸出的同步信號(hào)。第三 路輸入為散熱器溫度檢測(cè)模塊，所獲得的溫度超限開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸入至微處理器作為散熱器 過(guò)熱的狀態(tài)信號(hào)，可以作為封鎖控制輸出的依據(jù)之一。第四路輸入為負(fù)載電流檢測(cè)、過(guò)載及 短路保護(hù)模塊所獲得負(fù)載電流模擬信號(hào)，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換為是否過(guò)載或短路的開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸 入至微處理器，作為是否封鎖控制輸出的依據(jù)之一。系統(tǒng)的第一路輸出信號(hào)為晶閘管驅(qū)動(dòng) 模塊的控制輸出信號(hào)。第二路輸出為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示，通過(guò)LED指示燈顯示散熱器是否 過(guò)熱、負(fù)載電流是否過(guò)載或是否發(fā)生短路、系統(tǒng)運(yùn)行是否正常等。通訊接口模塊為基于TCP/ IP協(xié)議的以太網(wǎng)通訊模式，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。圖2為晶閘管模塊，由圖可知，本實(shí)施例中包括雙向并聯(lián)晶閘管、快熔器、散熱器、 散熱器溫度檢測(cè)元件。晶間管、快熔器、溫度檢測(cè)元件安裝在散熱器的基板上，溫度檢測(cè)元 件檢測(cè)散熱器溫度是否超限，以開(kāi)關(guān)量的形式輸入至散熱器溫度檢測(cè)模塊。當(dāng)負(fù)載電流長(zhǎng) 時(shí)間過(guò)載時(shí)，熱積累使快熔器熔斷，達(dá)到保護(hù)晶閘管的目的。[0025]圖3為散熱器溫度檢測(cè)模塊。溫度開(kāi)關(guān)利用不同固體受熱后長(zhǎng)度變化的差別而產(chǎn) 生位移，從而使觸點(diǎn)動(dòng)作，輸出溫度控制開(kāi)關(guān)量信號(hào)。溫度檢測(cè)開(kāi)關(guān)安裝在晶閘管散熱器的 基板上，當(dāng)溫度正常時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，經(jīng)光電隔離后輸出邏輯值1至微處理器； 當(dāng)溫度超限時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，經(jīng)光電隔離后輸出邏輯值0至微處理器。 圖4為負(fù)載電流檢測(cè)、過(guò)載及短路保護(hù)模塊。精密電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載電流， 輸出(TlOmA的電流檢測(cè)信號(hào)至過(guò)載及短路保護(hù)電路。信號(hào)經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換，濾波與放大后，與 給定值進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸入至微處理器。當(dāng)負(fù)載電流過(guò)載或負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，輸出邏輯 值0至微處理器，否則輸出邏輯值1至微處理器。短路與過(guò)載保護(hù)電路具有高靈敏度、實(shí)時(shí) 性強(qiáng)的特點(diǎn)，電流超過(guò)額定值或發(fā)生短路時(shí)，可在IOms以內(nèi)關(guān)斷晶閘管輸出，進(jìn)行可靠的 系統(tǒng)保護(hù)。圖5為晶閘管驅(qū)動(dòng)模塊工作原理圖(三相中的一相，另外兩相相同)。微處理器根據(jù) 控制量的值(由上位機(jī)給定或智能儀表給定)，執(zhí)行功率均勻分配算法，生成控制輸出值(此 時(shí)為邏輯值1或0)，控制輸出值與散熱器溫度超限狀態(tài)信號(hào)、負(fù)載電流過(guò)載或短路狀態(tài)信 號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算的結(jié)果為邏輯值1時(shí)，在相位過(guò)零點(diǎn)輸出控制脈沖至此圖的控 制輸出端。經(jīng)光電隔離的雙向光控可控硅Ul和另外一只雙向可控硅U2功率放大后，驅(qū)動(dòng) 大功率晶閘管。圖6為相位同步檢測(cè)電路。三項(xiàng)交流電源經(jīng)過(guò)電阻衰減后，作為經(jīng)過(guò)雙向光耦的 輸入，光耦的輸出經(jīng)反相器翻轉(zhuǎn)后在電源的過(guò)零點(diǎn)輸出窄脈沖信號(hào)，此信號(hào)輸入至微處理 器，作為控制輸出的同步信號(hào)。圖7為模擬輸入接口電路原理圖。智能儀表輸入的壙20mA的電流信號(hào)經(jīng)濾波和 I/V轉(zhuǎn)換后輸出為廣5V的電壓信號(hào)，經(jīng)電平遷移后輸出為(T5V的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變 為數(shù)字輸入信號(hào)，結(jié)果輸出至微處理器，作為單機(jī)工作模式時(shí)的控制輸入，對(duì)晶閘管進(jìn)行控 制。圖8為本實(shí)用新型所使用的微處理器內(nèi)嵌的以太網(wǎng)控制器(Ethernet Media Access Controller)的原理框圖，以太網(wǎng)MAC控制器是微處理器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)操作的核心 部分，該單元具有以下功能(1)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和對(duì)接收數(shù)據(jù) 進(jìn)行解包、效驗(yàn)，與上位機(jī)相互交換信息，分析上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；(2)能以 10M/100Mbps的速率通訊，支持(EMAC)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口(Μ II)和帶緩沖的DMA接口，有效 地處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，能夠方便地通過(guò)以太網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)直接連接。(3)支持IEEE802.3 MAC控 制層協(xié)議，全雙工操作模式。它由發(fā)送模塊、接收模塊、流控模塊、M II管理模塊、命令寄存 器、狀態(tài)寄存器等部分組成。圖9為通訊接口模塊原理圖。狀態(tài)輸入信號(hào)包括散熱器過(guò)熱輸入和電流過(guò)載輸入 信號(hào)?？刂品绞竭x擇是一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，用于選擇工作在聯(lián)網(wǎng)工作方式或單機(jī)工作方式。在 聯(lián)網(wǎng)工作方式，通訊方式為基于TCP/IP協(xié)議的Internet網(wǎng)絡(luò)通訊模式，調(diào)功器通訊模塊包 括以太網(wǎng)控制器和物理層接口及光纖通訊接口，在這種工作方式下，智能調(diào)功器與上位機(jī) 組成以太網(wǎng)，智能調(diào)功器通過(guò)不同的IP地址識(shí)別，智能調(diào)功器收受上位機(jī)的控制輸入，其 輸入信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。在單機(jī)工作方式，智能電力調(diào)功器與智能儀表等設(shè)備組成獨(dú)立的控 制單元，其控制輸入為智能儀表輸入的模擬信號(hào)。該模塊主要實(shí)現(xiàn)如下功能(1)實(shí)現(xiàn)物理 層協(xié)議。物理層實(shí)現(xiàn)使用器件RTL8201，負(fù)責(zé)微處理器和Ethernet的物理媒體連接和物理層功能。由于微處理器只包含以太網(wǎng)MAC控制，并未提供物理層的功能，因此，需通過(guò)其已 帶的MII接口外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接人通道。RTL8201完成了 OSI的7層 網(wǎng)絡(luò)通信模型中物理層的主要功能。RTL8201提供的M II接口可方便地與微處理器連接。 微處理器發(fā)送幀時(shí)，RTL8201通過(guò)M II接口從微處理器處接收以太幀，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼， 并送到傳輸媒體；發(fā)送以太網(wǎng)幀時(shí)，先在幀前端加上幀起始標(biāo)志。當(dāng)從傳輸媒體監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng) 絡(luò)中有載波存在時(shí)，RTL8201接收模塊首先用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)與物理信號(hào)同步，采樣接收數(shù) 據(jù)物理信息并進(jìn)行解碼，然后通過(guò)MII送微處理器進(jìn)行解包處理。(3)外部FLASH存放Web sever的各種Web資源；SRAM作為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。(4)網(wǎng)絡(luò)控制方式，接收遠(yuǎn)程端 的控制數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制算法，產(chǎn)生控制輸出信號(hào)。本實(shí)用新型的智能通訊電力調(diào)功器既可以多臺(tái)組成網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)，也可以單臺(tái) 與智能儀表組成獨(dú)立的控制單元，可以用于三相調(diào)功也可以用于單相調(diào)功控制。通過(guò)控制 功能選擇得撥碼開(kāi)關(guān)，可以選擇工作在聯(lián)網(wǎng)控制方式或單機(jī)控制方式當(dāng)工作在聯(lián)網(wǎng)控制 方式時(shí)，多臺(tái)調(diào)功器組成控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集群控制，各調(diào)功器通過(guò)光纖通訊接口與上位 機(jī)進(jìn) 行數(shù)字通信，接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)字控制信號(hào)，智能電力調(diào)功器也可以將運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)發(fā) 送給上位機(jī)。當(dāng)工作在單機(jī)控制方式時(shí)，調(diào)功器通過(guò)儀表接口單元與智能儀表連接，接受 Γ20πιΑ的電流控制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后對(duì)晶閘管進(jìn)行控制。另外，本實(shí)用新型的調(diào)功器采用功率均勻分配的調(diào)功算法，使分配給加熱元 件的功率始終是均勻的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷，避免了加熱設(shè)備的突然啟動(dòng) 和關(guān)斷對(duì)電網(wǎng)的干擾，延長(zhǎng)了加熱元件的使用壽命，也可以提高控制精度。
權(quán)利要求一種智能電力調(diào)功器，包括微處理器及與其相連的輸入和輸出設(shè)備，所述輸入設(shè)備包括輸入端口上連接的用于與智能儀表相連的模擬輸入接口電路，用于與上位機(jī)雙向連通的通訊接口模塊，還包括相位同步檢測(cè)電路；輸出設(shè)備包括晶閘管模塊及其驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)功器內(nèi)還設(shè)有控制方式選擇撥碼開(kāi)關(guān)，其特征在于所述通訊接口模塊包括以太網(wǎng)控制器和物理層接口及光纖通訊接口，所述微處理器還連接有負(fù)載電流檢測(cè)和過(guò)載及短路保護(hù)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電力調(diào)功器，其特征在于所述通訊接口模塊的通訊方 式為基于TCP/IP協(xié)議的Internet網(wǎng)絡(luò)，通訊端口為標(biāo)準(zhǔn)的RJ45并行通訊接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能電力調(diào)功器，其特征在于所述輸出設(shè)備還包括狀 態(tài)指示模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能電力調(diào)功器，其特征在于所述晶閘管的一控制輸出端 還通過(guò)散熱器溫度檢測(cè)模塊與微處理器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能電力調(diào)功器，其特征在于所述模擬輸入接口電路 由濾波與Ι/ν轉(zhuǎn)換、電平遷移及A/D轉(zhuǎn)換電路順次連接構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種智能電力調(diào)功器，包括微處理器及與其相連的輸入、輸出設(shè)備和基于TCP/IP協(xié)議的雙向通訊接口。輸入設(shè)備包括輸入端口上連接的用于與智能儀表相連的模擬輸入接口電路，負(fù)載電流檢測(cè)電路，散熱器溫度檢測(cè)電路；輸出設(shè)備包括晶閘管及其驅(qū)動(dòng)模塊；通訊接口模塊包括以太網(wǎng)控制器和物理層接口及光纖通訊接口；微處理器還連接有負(fù)載電流檢測(cè)和過(guò)載及短路保護(hù)模塊。本實(shí)用新型的調(diào)功器既可以單獨(dú)工作，也可以多臺(tái)組網(wǎng)工作，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊控制，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)成本低、控制精度高，并能延長(zhǎng)加熱元件的使用壽命。
文檔編號(hào)H02J3/18GK201656491SQ20102017491
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者賈海軍, 陳家新 申請(qǐng)人:洛陽(yáng)潤(rùn)星電子科技有限公司